JP2010156352A - Actuator having small diameter - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the bending of an actuator having a small diameter due to an unbalanced load and to provide an actuator having a small diameter for a medical or industrial manipulator that requires highly accurate control. <P>SOLUTION: The actuator having a small diameter includes a displacement sensor having a folded structure that includes a first sensor part and a second sensor part. The first sensor part is arranged parallel to the center axis of the actuator, and the second sensor part is arranged axially symmetric with the positions of the first sensor part about the central axis on the line segments that perpendicularly intersect the central axis, and thereby the occurrence of an unbalanced load is suppressed. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、細径アクチュエータに関する。また、本発明は、駆動機構として前記細径アクチュエータを備えた細径マニピュレータに関する。   The present invention relates to a small diameter actuator. The present invention also relates to a thin manipulator including the thin actuator as a drive mechanism.

離れた場所、とくに狭小な内腔領域に存在する種々の対象物に対して把持、切除、連結、計測、マーキング等の局所的操作を行う上で、細径のアクチュエータを用いることが有効な実現手段となっている。例えば細径アクチュエータとして、空圧制御式のアクチュエータを駆動機構に組み入れるにあたっては、変位検出が不可欠であるが、空圧アクチュエータ自体は、小型・軽量化を図れても、位置検出機構は、レーザ変位計、ポテンショメータ等を外付けする必要があるため、システム全体として、小型・軽量化を図ることが困難であった(特許文献1)。   Effective use of small-diameter actuators for local operations such as gripping, excision, connection, measurement, and marking of various objects that exist in remote locations, especially in narrow lumen regions It is a means. For example, displacement detection is indispensable when incorporating a pneumatically controlled actuator into a drive mechanism as a small-diameter actuator. However, even if the pneumatic actuator itself can be reduced in size and weight, the position detection mechanism uses laser displacement. Since it is necessary to attach a meter, a potentiometer, etc., it was difficult to reduce the size and weight of the entire system (Patent Document 1).

また、ゴム人工筋アクチュエータを医療用または工業用マニピュレータの駆動機構として使用する場合もあり、この場合には挿入アームの細径化が課題となるが、位置検出機構が外付けされている場合、十分な細径化を実現することは困難であった。特に、医療用マニピュレータの場合には、腹腔内に挿入して使用するため、変位センサや、配線が生体組織に触れにくい構造をとる必要があったが、ポテンショメータなど従来型のセンサでは、直径10mm程度の挿入部に組み込んで、かつ生体組織に触れにくい構造をとることは困難であった。
特開2005−95989号公報
In addition, there is a case where a rubber artificial muscle actuator is used as a drive mechanism for a medical or industrial manipulator, and in this case, it is a problem to reduce the diameter of the insertion arm, but when the position detection mechanism is externally attached, It has been difficult to achieve a sufficiently small diameter. In particular, in the case of a medical manipulator, since it is used by being inserted into the abdominal cavity, it was necessary to adopt a structure in which the displacement sensor and the wiring are difficult to touch the living tissue. It has been difficult to adopt a structure that is incorporated in an insertion portion of a certain degree and is difficult to touch a living tissue.
JP 2005-95989 A

上記課題を解決すべく空圧アクチュエータ表面に導電性薄膜を設置してみたところ、アクチュエータ本体に偏荷重がかかり屈曲が生じて精密制御の大きな障害となることが判明した。従って、本発明の目的は、偏荷重によるアクチュエータの屈曲を防止し、高精度な制御が要求される細径の医療用または工業用マニピュレータを実現するための細径アクチュエータを提供することにある。   An attempt was made to install a conductive thin film on the surface of the pneumatic actuator in order to solve the above problems, and it was found that the actuator body was subjected to an uneven load and bent, which hindered precise control. Accordingly, an object of the present invention is to provide a small-diameter actuator for preventing a bending of the actuator due to an uneven load and realizing a small-diameter medical or industrial manipulator requiring high-precision control.

即ち、本発明は、第1および第2のセンサ部により構成された折り返し構造を有する変位センサを具備し、第1のセンサ部がアクチュエータの中心軸に対して平行に配置され、第2のセンサ部が第1のセンサ部の各位置から前記中心軸に対して垂直に交わる線分上で前記中心軸に対して軸対称となるように配置されることにより、偏荷重の発生を抑制したことを特徴とする、細径アクチュエータを提供する。   That is, the present invention includes a displacement sensor having a folding structure constituted by first and second sensor portions, the first sensor portion being arranged in parallel to the central axis of the actuator, and the second sensor The portion is arranged so as to be axially symmetric with respect to the central axis on a line segment perpendicular to the central axis from each position of the first sensor unit, thereby suppressing the occurrence of uneven load A small-diameter actuator is provided.

また、本発明は、前記細径アクチュエータと、前記細径アクチュエータを内部に備える挿入アームと、前記挿入アームの先端に取り付けられた操作ツールとを具備し、前記操作ツールの駆動が、前記細径アクチュエータの伸縮によって制御されることを特徴とする、細径マニピュレータを提供する。   The present invention also includes the small-diameter actuator, an insertion arm having the small-diameter actuator therein, and an operation tool attached to a tip of the insertion arm, and the operation tool is driven by the small-diameter actuator. A thin manipulator characterized by being controlled by expansion and contraction of an actuator.

さらにまた、本発明は、前記細径アクチュエータを2以上備え、各アクチュエータが個々に制御されていることを特徴とする、細径マニピュレータを提供する。   Furthermore, the present invention provides a thin manipulator comprising two or more small diameter actuators, each actuator being individually controlled.

本発明の細径アクチュエータによって、偏荷重による屈曲が抑制され、細径の医療用または工業用マニピュレータを高精度に制御することができる。   By the small diameter actuator of the present invention, bending due to an uneven load is suppressed, and a small diameter medical or industrial manipulator can be controlled with high accuracy.

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の構成を詳細に説明するために、細径アクチュエータの一例であるゴム人工筋肉を用いて例示的に示したものに過ぎない。従って、本発明は、以下の実施形態に記載された説明に基づいて限定解釈されるべきではない。本発明の範囲には、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内にある限り、以下の実施形態の種々の変形、改良形態を含む全ての実施形態が含まれる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in order to demonstrate the structure of this invention in detail, embodiment shown below is only what was shown exemplarily using the rubber | gum artificial muscle which is an example of a small diameter actuator. Accordingly, the present invention should not be construed as being limited based on the description given in the following embodiments. The scope of the present invention includes all embodiments including various modifications and improvements of the following embodiments as long as they are within the scope of the invention described in the claims.

<第1の実施形態>
図1
図1は、第1の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ1を模式的に示した斜視図である。ゴム人工筋アクチュエータ1は、両端に係止部材2,3を備えた管状弾性体4および編み上げ補強部材5により構成され、管状弾性体4内部の空圧を制御することによって管状弾性体4を長手軸方向(図中、中心軸X方向)に伸縮させ、係止部材2,3間の距離を変化させる駆動機構である。代表的なゴム人工筋アクチュエータとして、例えばマッキベン(McKibben)型アクチュエータが知られている。係止部材2は給気用配管と接続され、係止部材2に予め設けられた空圧印加用穴6を通して管状弾性体4内部への空気の給気および排気が行われる。
<First Embodiment>
FIG.
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a rubber artificial muscle actuator 1 according to the first embodiment. The artificial rubber muscle actuator 1 is composed of a tubular elastic body 4 provided with locking members 2 and 3 at both ends and a braided reinforcing member 5, and the tubular elastic body 4 is elongated by controlling the air pressure inside the tubular elastic body 4. This is a drive mechanism that expands and contracts in the axial direction (in the direction of the central axis X in the figure) and changes the distance between the locking members 2 and 3. As a representative artificial rubber muscle actuator, for example, a McKibben actuator is known. The locking member 2 is connected to an air supply pipe, and air is supplied and exhausted into the tubular elastic body 4 through an air pressure application hole 6 provided in advance in the locking member 2.

編み上げ補強部材5の表面には変位センサが長手軸方向(図中、中心軸X方向)に配置されている。その詳細については後述する。変位センサは、第1のセンサ部7と第2のセンサ部8により構成され、第1のセンサ部7の一端と第2のセンサ部8一端とが導電性を有する折り返し機構9により直列に接続されている。そして、第1および第2のセンサ部7,8の他端は、それぞれリード線を介して第1および第2の測定用電極10,11に接続されている。第1および第2の測定用電極10および11は電源に接続され、変位センサ6全体に所定の電圧を印加することができる。第1の測定用電極10と第2の測定用電極11との間の電気抵抗値の変化量は、変位計によって計測することができる。変位センサはゴム人工筋アクチュエータ1の伸縮量に同調して伸縮し、その伸縮量に対応した電気抵抗値の変化を示すので、この電気抵抗値の変化量からアクチュエータの伸縮量を同定することができる。   A displacement sensor is disposed on the surface of the braided reinforcing member 5 in the longitudinal axis direction (the central axis X direction in the figure). Details thereof will be described later. The displacement sensor includes a first sensor unit 7 and a second sensor unit 8, and one end of the first sensor unit 7 and one end of the second sensor unit 8 are connected in series by a turn-back mechanism 9 having conductivity. Has been. The other ends of the first and second sensor units 7 and 8 are connected to the first and second measurement electrodes 10 and 11 via lead wires, respectively. The first and second measurement electrodes 10 and 11 are connected to a power source, and a predetermined voltage can be applied to the entire displacement sensor 6. The amount of change in the electrical resistance value between the first measurement electrode 10 and the second measurement electrode 11 can be measured by a displacement meter. The displacement sensor expands and contracts in synchronization with the expansion / contraction amount of the artificial rubber muscle actuator 1 and shows a change in the electric resistance value corresponding to the expansion / contraction amount. Therefore, the expansion / contraction amount of the actuator can be identified from the change amount of the electric resistance value. it can.

なお、折り返し構造を有する変位センサを配置すると、センサの配線(すなわち、測定用電極10および11)をゴム人工筋アクチュエータ1の片側のみから取り出すことができるため、配線を折り返す必要が無くなる。従って、配線空間の確保が不要となり、それに伴い狭小領域に複数のアクチュエータを過密配置することが可能となり、マニピュレータの細径化が実現される。また、折り返し構造をとることにより変位感度が2倍になるため、高感度な変位センサとして機能しうる。   If a displacement sensor having a folded structure is arranged, the wiring of the sensor (that is, the measurement electrodes 10 and 11) can be taken out from only one side of the rubber artificial muscle actuator 1, so that it is not necessary to fold the wiring. Accordingly, it is not necessary to secure a wiring space, and accordingly, a plurality of actuators can be arranged densely in a narrow area, and the manipulator can be reduced in diameter. Further, since the displacement sensitivity is doubled by adopting the folded structure, it can function as a highly sensitive displacement sensor.

図2
図2は、図1に示した斜視図の線A−Aに沿った断面図である。
FIG.
2 is a cross-sectional view taken along line AA of the perspective view shown in FIG.

ゴム人工筋アクチュエータ1の寸法には特に制限はないが、細径マニピュレータの駆動機構として使用する場合、その全長は、例えば50mm以上、好ましくは50mm〜300mm、最も好ましくは100mm〜200mmであり、その直径は、例えば2mm以下、好ましくは0.5〜2mm、最も好ましくは1〜1.5mmである。   The size of the artificial rubber muscle actuator 1 is not particularly limited, but when used as a drive mechanism for a small-diameter manipulator, the total length is, for example, 50 mm or more, preferably 50 mm to 300 mm, most preferably 100 mm to 200 mm. The diameter is, for example, 2 mm or less, preferably 0.5 to 2 mm, and most preferably 1 to 1.5 mm.

管状弾性体4は、内空を有する弾性部材によって構成され、その材質に特に制限はないが、例えばニトリルゴム、シリコーンゴム、ブチルゴムなどの合成ゴム弾性体が使用される。   The tubular elastic body 4 is constituted by an elastic member having an inner space, and the material thereof is not particularly limited. For example, a synthetic rubber elastic body such as nitrile rubber, silicone rubber, and butyl rubber is used.

管状弾性体4は編み上げ補強部材5によって被覆されている。編み上げ補強部材5は、管状弾性体4の円周方向の膨張力を長手軸方向(図中、中心軸X方向)の収縮に変換する役割を果たす。編み上げ補強部材5の材質に特に制限はないが、例えばポリアミド繊維、ポリエステル繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などの高弾性率繊維が使用される。   The tubular elastic body 4 is covered with a braided reinforcing member 5. The braided reinforcing member 5 serves to convert the circumferential expansion force of the tubular elastic body 4 into contraction in the longitudinal axis direction (the central axis X direction in the figure). Although there is no restriction | limiting in particular in the material of the braided reinforcement member 5, For example, high elastic modulus fibers, such as a polyamide fiber, a polyester fiber, glass fiber, an aramid fiber, are used.

係止部材2,3は、金属材料または樹脂材料等で構成される。係止部材2,3と管状弾性体4の両端は接着固定または係止機構によって固定される。係止部材2は、空圧印加用穴6を備えている。給気用配管から供給された空気は空気印加用穴6を通して管状弾性体4内空に供給され、あるいは管状弾性体4内空の空気が空気印加用穴6を通して給気用配管へ排気される。一方、係止部材3は、密閉構造をとり、管状弾性体4内の空気が外部へ漏れ出ることを防ぐ。   The locking members 2 and 3 are made of a metal material or a resin material. Both ends of the locking members 2 and 3 and the tubular elastic body 4 are fixed by an adhesive fixing or locking mechanism. The locking member 2 includes an air pressure application hole 6. The air supplied from the air supply pipe is supplied to the inner space of the tubular elastic body 4 through the air application hole 6, or the air in the tubular elastic body 4 is exhausted to the air supply pipe through the air application hole 6. . On the other hand, the locking member 3 has a sealed structure and prevents the air in the tubular elastic body 4 from leaking outside.

第1および第2のセンサ部7,8は、その両端部が編み上げ補強部材5に固定されている。固定方法に特に制限はないが、例えば接着固定が挙げられる。第1および第2のセンサ部7,8は、柔軟性を有するセンサであり、弾性管状体4および編み上げ補強部材5の伸縮に同調して伸縮することができる。第1のセンサ部7と第2のセンサ部8は、原則として同一形状および同一構造をとり、その構成材料も同一である。但し、後述する偏荷重の発生を抑制するという本発明の課題を解決しうる範囲において適宜差異を設けることは可能である。   Both ends of the first and second sensor parts 7 and 8 are fixed to the braided reinforcing member 5. Although there is no restriction | limiting in particular in the fixing method, For example, adhesion fixation is mentioned. The first and second sensor portions 7 and 8 are flexible sensors and can expand and contract in synchronization with the expansion and contraction of the elastic tubular body 4 and the braided reinforcing member 5. The first sensor unit 7 and the second sensor unit 8 have the same shape and the same structure in principle, and the constituent materials are also the same. However, it is possible to make a difference as appropriate within a range that can solve the problem of the present invention that suppresses the occurrence of an offset load described later.

図3
図3は、第1のセンサ部7(第2のセンサ部8も同じ)の断面を示した斜視図である。第1のセンサ部7は、薄膜上の導電体31が第1および第2の樹脂部材32,33に狭持された構造をとる。
FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing a cross section of the first sensor unit 7 (the same applies to the second sensor unit 8). The first sensor unit 7 has a structure in which a conductor 31 on a thin film is sandwiched between first and second resin members 32 and 33.

導電体31は、導電性フィラー、例えば炭素、銀、銅、ニッケルなどを熱可塑性樹脂、エラストマーまたは熱硬化性樹脂に分散させ、適宜、各種溶剤および添加剤を添加することによって作製される。導電体31は、好ましくは炭素コーティングによって形成される。   The conductor 31 is produced by dispersing a conductive filler, such as carbon, silver, copper, or nickel, in a thermoplastic resin, an elastomer, or a thermosetting resin, and adding various solvents and additives as appropriate. The conductor 31 is preferably formed by a carbon coating.

樹脂部材32,33は、天然ゴム、または合成ゴム、例えばシリコーンゴム、ウレタンゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴム、もしくはブタジエンゴム等に、適宜、各種溶剤および添加剤を添加することによって作製される。樹脂部材32,33は、好ましくはシリコーンゴムによって形成される。樹脂部材32,33は、導電体31の薄膜を形成するための母材としての役割を果たし、また、導電体31の薄膜を被覆するための被覆材としての役割を果たす。   The resin members 32 and 33 are produced by adding various solvents and additives as appropriate to natural rubber or synthetic rubber such as silicone rubber, urethane rubber, chloroprene rubber, acrylic rubber, or butadiene rubber. The resin members 32 and 33 are preferably made of silicone rubber. The resin members 32 and 33 serve as a base material for forming a thin film of the conductor 31 and also serve as a covering material for covering the thin film of the conductor 31.

第1のセンサ部7の製法、構造および形状には特に制限はなく、適宜、設計変更が可能である。例えば、図3に示すようにシリコーンゴム製の第1の樹脂部材33上に導電体31をコーティングし(例えば、炭素コーティング)、その上にシリコーンゴム製の第2の樹脂部材32を貼り合わせてもよいし、あるいは、内空を有する樹脂部材に導電体31を注入固定してもよい。この場合、導電体31は1つの樹脂部材内に内包された構造となる。また、センサの形状は、円柱形状、多角柱形状等、任意の形状とすることができる。   There is no restriction | limiting in particular in the manufacturing method, structure, and shape of the 1st sensor part 7, A design change is possible suitably. For example, as shown in FIG. 3, a conductor 31 is coated on a first resin member 33 made of silicone rubber (for example, carbon coating), and a second resin member 32 made of silicone rubber is bonded thereon. Alternatively, the conductor 31 may be injected and fixed to a resin member having an inner space. In this case, the conductor 31 has a structure enclosed in one resin member. Moreover, the shape of a sensor can be made into arbitrary shapes, such as a column shape and a polygonal column shape.

例えば、導電性塗料を塗布したシリコーンゴムを長手方向に伸ばすと塗料中に含まれるカーボンの密度が減少して、電気抵抗値が増加する。電気抵抗値の変化は、シリコーンゴムの長手方向への伸縮量と正確に対応するため、電気抵抗値の変化量を検出することによってシリコーンゴムの伸縮量を同定することができる。   For example, when silicone rubber coated with a conductive paint is stretched in the longitudinal direction, the density of carbon contained in the paint decreases and the electrical resistance value increases. Since the change in the electrical resistance value accurately corresponds to the amount of expansion / contraction in the longitudinal direction of the silicone rubber, the amount of expansion / contraction of the silicone rubber can be identified by detecting the amount of change in the electrical resistance value.

第1のセンサ部7の一端は、導電性を有する折り返し機構9によって第2のセンサ部8の一端と電気的に接続されている。折り返し機構9は、例えば、絶縁樹脂部材で被覆された銅線コードであり、アクチュエータ1の伸縮運動を障害しないようにたわみをもって両センサ部を接続する。また、第1のセンサ部7の他端は、リード線を介して第1の測定用電極10に接続される。   One end of the first sensor unit 7 is electrically connected to one end of the second sensor unit 8 by a conductive folding mechanism 9. The folding mechanism 9 is, for example, a copper wire cord covered with an insulating resin member, and connects both sensor portions with a deflection so as not to hinder the expansion and contraction motion of the actuator 1. The other end of the first sensor unit 7 is connected to the first measurement electrode 10 via a lead wire.

図4
図4は、図1の線B-Bに沿った断面の斜視図である。第1のセンサ部7がゴム人工筋アクチュエータ1の中心軸Xに対して平行に配置され、第2のセンサ部8が第1のセンサ部7の任意の位置Zから前記中心軸Xに対して垂直に交わる線分Y−Y上で前記中心軸Xに対して軸対称となるように配置される。
FIG.
4 is a perspective view of a cross section taken along line BB in FIG. The first sensor unit 7 is arranged in parallel to the central axis X of the rubber artificial muscle actuator 1, and the second sensor unit 8 is from an arbitrary position Z 1 of the first sensor unit 7 to the central axis X. Are arranged so as to be symmetric with respect to the central axis X on a line segment Y 1 -Y 2 that intersects perpendicularly.

先ず、第1のセンサ部7および第2のセンサ部8がアクチュエータの中心軸Xに対して平行に配置されることによって、各センサ部の伸縮をアクチュエータの伸縮に連動させることができるので、各センサ部の伸縮量をアクチュエータの伸縮量とみなすことができる。ここで、各センサ部の伸縮量は電気抵抗値の変化量を検出することによって同定することができるので、結果として、アクチュエータの伸縮量を電気抵抗値の変化量から同定することができる。   First, since the first sensor unit 7 and the second sensor unit 8 are arranged in parallel to the central axis X of the actuator, the expansion and contraction of each sensor unit can be interlocked with the expansion and contraction of the actuator. The expansion / contraction amount of the sensor unit can be regarded as the expansion / contraction amount of the actuator. Here, the amount of expansion / contraction of each sensor unit can be identified by detecting the amount of change in the electric resistance value. As a result, the amount of expansion / contraction of the actuator can be identified from the amount of change in the electric resistance value.

次に、第2のセンサ部8が第1のセンサ部7の任意の位置Zから前記中心軸Xに対して垂直に交わる線分Y−Y上で前記中心軸Xに対して軸対称となるように配置されることによって、偏荷重の発生を抑制することができる。ゴム人工筋アクチュエータ1にとって、折り返し構造を有するセンサは異物であり、該センサをアクチュエータ表面に取り付けると、アクチュエータの重心軸とアクチュエータの中心軸との間にずれが生じ、この重心軸の「ずれ」によってアクチュエータの引きつりや屈曲が生じる。細径の医療用または工業用マニピュレータを提供するためには、マニピュレータの駆動制御単位となるアクチュエータ自体を細径化する必要があるが、極細のアクチュエータにおける上述した重心軸の「ずれ」は、アクチュエータの伸縮運動に伴う引きつりや屈曲の問題を一層深刻化させる。この点、第1の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ1は、折り返し構造を有する変位センサを中心軸Xに対して軸対称に配置しているので、各位置における重心の「ずれ」は相殺され、全体として重心は中心軸上に維持される。この結果、アクチュエータの偏荷重の発生が抑制され、アクチュエータの伸縮運動に伴う引きつりや屈曲の生じにくい直動アクチュエータを提供することができる。 Next, the second sensor unit 8 is an axis with respect to the central axis X on a line segment Y 1 -Y 2 perpendicular to the central axis X from an arbitrary position Z 1 of the first sensor unit 7. By arranging so as to be symmetric, it is possible to suppress the occurrence of an offset load. For the rubber artificial muscle actuator 1, the sensor having the folded structure is a foreign substance. When the sensor is attached to the actuator surface, a deviation occurs between the center axis of the actuator and the center axis of the actuator. As a result, the actuator is pulled or bent. In order to provide a small-diameter medical or industrial manipulator, it is necessary to reduce the diameter of the actuator itself as a drive control unit of the manipulator. The problem of pulling and bending associated with the telescopic movement of the arm is exacerbated. In this regard, the rubber artificial muscle actuator 1 according to the first embodiment has the displacement sensor having the folded structure arranged symmetrically with respect to the central axis X, so that the “displacement” of the center of gravity at each position is canceled out. Overall, the center of gravity is maintained on the central axis. As a result, it is possible to provide a linear motion actuator in which the occurrence of an unbalanced load on the actuator is suppressed and the pulling and bending associated with the expansion and contraction motion of the actuator are unlikely to occur.

なお、当然ながら、「中心軸」、「平行」、「垂直に交わる線分」および「軸対称」とは、数学的定義に厳密に従うものではなく、偏荷重の発生が抑制されるという作用効果を奏する限りにおいて、実際の各個別の具体的アクチュエータの事情に応じて拡張されうる概念である。   Of course, “center axis”, “parallel”, “vertically intersecting line segment”, and “axial symmetry” do not strictly follow the mathematical definition, and the effect of suppressing the occurrence of uneven load This is a concept that can be extended according to the actual situation of each individual actuator.

<第2の実施形態>
図5
図5は、第2の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ1を模式的に示した斜視図である。
<Second Embodiment>
FIG.
FIG. 5 is a perspective view schematically showing the artificial rubber muscle actuator 1 according to the second embodiment.

第2の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ1は、第1のセンサ部51および第2のセンサ部52により構成された折り返し構造を有する第1の変位センサ50と、同じく第1のセンサ部55および第2のセンサ部56により構成された折り返し構造を有する第2の変位センサ60とを具備する。そして、第1の変位センサ50がゴム人工筋アクチュエータ1の中心軸Xに対して平行に配置され、第2の変位センサ60が第1の変位センサ50の各位置から前記中心軸Xに対して垂直に交わる線分上で前記中心軸Xに対して軸対称となるように配置される。   The rubber artificial muscle actuator 1 according to the second embodiment includes a first displacement sensor 50 having a folded structure constituted by a first sensor unit 51 and a second sensor unit 52, and a first sensor unit 55 and And a second displacement sensor 60 having a folded structure constituted by the second sensor unit 56. The first displacement sensor 50 is arranged in parallel to the central axis X of the rubber artificial muscle actuator 1, and the second displacement sensor 60 is from each position of the first displacement sensor 50 to the central axis X. They are arranged so as to be axially symmetric with respect to the central axis X on a perpendicularly intersecting line segment.

図6
図6は、図5に示した斜視図の線C−Cに沿った断面図である。
FIG.
6 is a cross-sectional view taken along line CC of the perspective view shown in FIG.

第1の変位センサ50の第1のセンサ部51は、第2の変位センサ60の第2のセンサ部56と線分Y−Y上で中心軸Xに対して軸対称に配置されている。また、第1の変位センサ50の第2のセンサ部52は、第2の変位センサ60の第1のセンサ部55と線分Y−Y上で中心軸Xに対して軸対称に配置されている。 The first sensor portion 51 of the first displacement sensor 50 is arranged symmetrically with respect to the central axis X on the line segment Y 1 -Y 1 with the second sensor portion 56 of the second displacement sensor 60. Yes. The second sensor portion 52 of the first displacement sensor 50, disposed in axial symmetry with respect to the central axis X on the first sensor unit 55 and a line segment Y 2 -Y 2 of the second displacement sensor 60 Has been.

折り返し構造を有する独立した2つの変位センサをアクチュエータの中心軸に対して軸対称に配置することによって、偏荷重の発生が抑制されるとともに、断線等の故障に強いアクチュエータを提供することができる。すなわち、細径アクチュエータにおいて、それに取り付けられた変位センサは極細の形状をなすため、断線等による故障が懸念される。特に、医療用または工業用の細径マニピュレータは、その使用に際し、恒常的な精密制御が要求されるため、耐用年数前に断線等による故障が生じた場合、製品としての信頼性が損われる蓋然性が高い。この点、第2の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータは、独立した2つの変位センサが設置されているため、仮に、耐用年数前に片方の変位センサが断線等による故障に陥った場合であっても、他方の変位センサによってアクチュエータの伸縮量を引き続き精密制御することができるので、極めて信頼性の高い細径マニピュレータを提供することができる。   By arranging two independent displacement sensors having a folded structure in axial symmetry with respect to the central axis of the actuator, it is possible to provide an actuator that can suppress the occurrence of an offset load and is resistant to failures such as disconnection. That is, in a small-diameter actuator, the displacement sensor attached to the actuator has an extremely fine shape, and there is a concern about failure due to disconnection or the like. In particular, medical and industrial thin manipulators require constant precision control during their use, so if a failure due to disconnection or the like occurs before the service life, the reliability of the product may be impaired. Is expensive. In this regard, the artificial rubber muscle actuator in the second embodiment is provided with two independent displacement sensors, so that one of the displacement sensors falls into a failure due to disconnection or the like before the service life. However, since the other displacement sensor can continue to precisely control the amount of expansion and contraction of the actuator, it is possible to provide a highly reliable small-diameter manipulator.

<第3の実施形態>
また、第2の実施形態の応用として、折り返し構造を有する独立した3つ以上の変位センサを中心軸Xに対して平行に全体として偏荷重が抑制されるように配置することによって、一層故障に強いアクチュエータを提供することができる。この場合、故障に強いことにより、アクチュエータ自体の耐用年数を長く設定することも一層可能になり、製品寿命を長期化することができる。
<Third Embodiment>
Further, as an application of the second embodiment, by arranging three or more independent displacement sensors having a folded structure in parallel to the central axis X so that the offset load is suppressed as a whole, further failure can be caused. A strong actuator can be provided. In this case, it is possible to set the service life of the actuator itself longer by being strong in failure, and the product life can be extended.

具体的には、3つの変位センサを配置する場合、各変位センサをゴム人工筋アクチュエータ1の円周上で120度間隔で中心軸に対して平行に配置することにより、アクチュエータの偏荷重を抑制することができる。   Specifically, when three displacement sensors are arranged, each displacement sensor is arranged in parallel to the central axis at intervals of 120 degrees on the circumference of the artificial rubber muscle actuator 1, thereby suppressing the actuator's uneven load. can do.

<第4の実施形態>
図7
図7は、第4の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ1を模式的に示した斜視図である。
<Fourth Embodiment>
FIG.
FIG. 7 is a perspective view schematically showing the artificial rubber muscle actuator 1 according to the fourth embodiment.

第4の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ1は、第1のセンサ部71、第2のセンサ部72、第3のセンサ部73、および第4のセンサ部74により構成された2往復の折り返し構造を有する変位センサを具備する。そして、第1のセンサ部71がゴム人工筋アクチュエータ1の中心軸Xに対して平行に配置され、第2のセンサ部72が第1のセンサ部71の各位置から前記中心軸Xに対して垂直に交わる線分上で前記中心軸Xに対して軸対称となるように配置される。さらに、第3のセンサ部73が、ゴム人工筋アクチュエータ1の中心軸Xに対して平行に配置され、第4のセンサ部74が第3のセンサ部73の各位置から前記中心軸Xに対して垂直に交わる線分上で前記中心軸Xに対して軸対称となるように配置される。   The artificial rubber muscle actuator 1 according to the fourth embodiment is a two-way reciprocating folded structure including a first sensor unit 71, a second sensor unit 72, a third sensor unit 73, and a fourth sensor unit 74. A displacement sensor. And the 1st sensor part 71 is arranged in parallel to central axis X of rubber artificial muscle actuator 1, and the 2nd sensor part 72 is relative to said central axis X from each position of the 1st sensor part 71. They are arranged so as to be axially symmetric with respect to the central axis X on a perpendicularly intersecting line segment. Further, the third sensor unit 73 is arranged in parallel to the central axis X of the rubber artificial muscle actuator 1, and the fourth sensor unit 74 is arranged from each position of the third sensor unit 73 with respect to the central axis X. Are arranged so as to be axially symmetric with respect to the central axis X on line segments that intersect perpendicularly.

また、第1のセンサ部71および第2のセンサ部72は、各一端が導電性を有する折り返し機構76によって直列に接続され、第2のセンサ部72および第3のセンサ部73は、各一端が導電性を有する折り返し機構77によって直列に接続され、かつ、第3のセンサ部73および第4のセンサ部74は、各一端が導電性を有する折り返し機構78によって直列に接続されている。各折り返し機構は、アクチュエータの伸縮の障害とならないようにたわみをもって両センサ部を接続している。また、第1のセンサ部71および第4のセンサ部74の各他端は、それぞれリード線を介して測定用電極10,11に接続されている。   The first sensor unit 71 and the second sensor unit 72 are connected in series by a folding mechanism 76 having one end at each end, and the second sensor unit 72 and the third sensor unit 73 are respectively connected to one end. Are connected in series by a folding mechanism 77 having conductivity, and each of the third sensor portion 73 and the fourth sensor portion 74 is connected in series by a folding mechanism 78 having conductivity. Each folding mechanism connects both sensor portions with a deflection so as not to obstruct expansion and contraction of the actuator. The other ends of the first sensor unit 71 and the fourth sensor unit 74 are connected to the measurement electrodes 10 and 11 via lead wires, respectively.

図8
図8は、図7に示した斜視図の線D−Dに沿った断面図である。
FIG.
8 is a cross-sectional view taken along the line DD in the perspective view shown in FIG.

第1のセンサ部71は、第2のセンサ部72と線分Y−Y上で中心軸Xに対して軸対称に配置されている。また、第3のセンサ部73は、第4のセンサ部74と線分Y−Y上で中心軸Xに対して軸対称に配置されている。 The first sensor unit 71 is arranged symmetrically with respect to the central axis X on the line segment Y 1 -Y 1 with the second sensor unit 72. The third sensor unit 73 is arranged symmetrically with respect to the central axis X on the line segment Y 2 -Y 2 with the fourth sensor unit 74.

2往復の折り返し構造を有する変位センサをアクチュエータの中心軸に対して軸対称に配置することによって、偏荷重の発生が抑制されるとともに、検出感度の高いアクチュエータを提供することができる。すなわち、変位センサを構成する4つのセンサ部は、各々中心軸に対して平行に配置されているので、アクチュエータの伸縮に応じて電気抵抗値が変化する。4つのセンサ部は折り返し機構によって直列に接続されているので、電機抵抗値の変化量は、2つのセンサ部で構成された1往復の変位センサと比較して約2倍になる。従って、2往復構造の変位センサの感度は、1往復構造の変位センサと比較して約2倍に向上し、アクチュエータのわずかな伸縮量も確実かつ正確に検出することができる。   By disposing the displacement sensor having a two-way reciprocation structure in axial symmetry with respect to the central axis of the actuator, it is possible to provide an actuator with reduced detection load and high detection sensitivity. That is, since the four sensor units constituting the displacement sensor are arranged in parallel to the central axis, the electric resistance value changes according to the expansion and contraction of the actuator. Since the four sensor units are connected in series by the folding mechanism, the amount of change in the electrical resistance value is approximately twice that of a one-reciprocation displacement sensor composed of two sensor units. Therefore, the sensitivity of the displacement sensor having the two reciprocating structure is improved about twice as compared with the displacement sensor having the one reciprocating structure, and a slight expansion / contraction amount of the actuator can be detected reliably and accurately.

医療用または工業用の細径マニピュレータは、微細かつ複雑な操作を要求される。例えば、医療用マニピュレータは、生体組織内の入り組んだ複雑な空間内において精密かつ自在なマニピュレーション操作を要求される。2往復構造を有する位置センサを備えたアクチュエータをマニピュレータの駆動機構として使用することによって、マニピュレータの駆動限界距離を小さくすることができ、より微細かつ複雑な操作が可能な高機能性の細径マニピュレータを提供することができる。   Medical or industrial thin manipulators require fine and complex operations. For example, a medical manipulator is required to perform a precise and flexible manipulation operation in a complicated and complicated space in a living tissue. By using an actuator equipped with a position sensor having two reciprocating structures as a drive mechanism for a manipulator, the manipulator drive distance can be reduced, and a highly functional thin manipulator capable of finer and more complex operations. Can be provided.

<第5の実施形態>
図9
図9は、第5の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ1を模式的に示した斜視図である。
<Fifth Embodiment>
FIG.
FIG. 9 is a perspective view schematically showing the artificial rubber muscle actuator 1 according to the fifth embodiment.

第5の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ1は、第1のセンサ部81、第2のセンサ部82、第3のセンサ部83、および第4のセンサ部84により構成された2往復の折り返し構造を有する第1の変位センサ85と、同じく第1のセンサ部91、第2のセンサ部92、第3のセンサ部93、および第4のセンサ部94により構成された2往復の折り返し構造を有する第2の変位センサ95と、を具備する。そして、第1の変位センサ85がゴム人工筋アクチュエータの中心軸Xに対して平行に配置され、第2の変位センサ95が第1の変位センサの各位置から前記中心軸Xに対して垂直に交わる線分上で前記中心軸Xに対して軸対称となるように配置される。   The artificial rubber muscle actuator 1 according to the fifth embodiment has a two-way reciprocation structure constituted by a first sensor unit 81, a second sensor unit 82, a third sensor unit 83, and a fourth sensor unit 84. The first displacement sensor 85 having the same structure as that of the first sensor unit 91, the second sensor unit 92, the third sensor unit 93, and the fourth sensor unit 94. A second displacement sensor 95. The first displacement sensor 85 is arranged in parallel to the central axis X of the rubber artificial muscle actuator, and the second displacement sensor 95 is perpendicular to the central axis X from each position of the first displacement sensor. They are arranged so as to be axially symmetric with respect to the central axis X on the intersecting line segments.

図10
図10は、図9に示した斜視図の線E−Eに沿った断面図である。
FIG.
10 is a cross-sectional view taken along line EE of the perspective view shown in FIG.

第1の変位センサ85の第1のセンサ部81は、第2の変位センサ95の第4のセンサ部94と線分Y−Y上で中心軸Xに対して軸対称に配置されている。また、第1の変位センサ85の第2のセンサ部82は、第2の変位センサ95の第3のセンサ部93と線分Y−Y上で中心軸Xに対して軸対称に配置されている。また、第1の変位センサ85の第3のセンサ部83は、第2の変位センサ95の第2のセンサ部92と線分Y−Y上で中心軸Xに対して軸対称に配置されている。さらにまた、第1の変位センサ85の第4のセンサ部84は、第2の変位センサ95の第1のセンサ部91と線分Y−Y上で中心軸Xに対して軸対称に配置されている。 The first sensor portion 81 of the first displacement sensor 85 is arranged symmetrically with respect to the central axis X on the line segment Y 1 -Y 1 with the fourth sensor portion 94 of the second displacement sensor 95. Yes. The second sensor portion 82 of the first displacement sensor 85 is arranged symmetrically with respect to the central axis X on the line segment Y 2 -Y 2 with the third sensor portion 93 of the second displacement sensor 95. Has been. The third sensor unit 83 of the first displacement sensor 85 is arranged symmetrically with respect to the central axis X on the line segment Y 3 -Y 3 with the second sensor unit 92 of the second displacement sensor 95. Has been. Furthermore, the fourth sensor portion 84 of the first displacement sensor 85 is symmetric with respect to the central axis X on the line segment Y 4 -Y 4 with the first sensor portion 91 of the second displacement sensor 95. Is arranged.

2往復の折り返し構造を有する独立した2つの変位センサをアクチュエータの中心軸に対して軸対称に配置することによって、偏荷重の発生が抑制されるとともに、検出感度が高く、かつ断線等の故障に強いアクチュエータを提供することができる。すなわち、第5の実施形態におけるアクチュエータを、医療用または工業用の細径マニピュレータの駆動制御機構として使用することによって、駆動限界距離が極めて小さく、かつ耐用年数の長い、高機能かつ高耐性の細径マニピュレータを提供することができる。   By arranging two independent displacement sensors with two reciprocating folding structures symmetrically with respect to the central axis of the actuator, the occurrence of unbalanced load is suppressed, detection sensitivity is high, and failures such as disconnection are prevented. A strong actuator can be provided. That is, by using the actuator according to the fifth embodiment as a drive control mechanism for a medical or industrial thin manipulator, a high-performance and high-resistance thin film with a very small driving limit distance and a long service life. A diameter manipulator can be provided.

<第6の実施形態>
また、第5の実施形態の応用として、2往復の折り返し構造を有する独立した3つ以上の変位センサを中心軸Xに対して平行に全体として偏荷重が抑制されるように配置することによって、一層検出感度が高く、かつ故障に強いアクチュエータを提供することができる。
<Sixth Embodiment>
Further, as an application of the fifth embodiment, by arranging three or more independent displacement sensors having two reciprocating folding structures in parallel to the central axis X so that the uneven load is suppressed as a whole, An actuator with higher detection sensitivity and resistance to failure can be provided.

具体的には、3つの2往復構造の変位センサを配置する場合、各変位センサをゴム人工筋アクチュエータ1の円周上で120度間隔で中心軸Xに対して平行に配置することにより、アクチュエータの偏荷重を抑制することができる。   Specifically, when three displacement sensors having two reciprocating structures are arranged, the displacement sensors are arranged parallel to the central axis X at intervals of 120 degrees on the circumference of the rubber artificial muscle actuator 1. Can be suppressed.

<第7の実施形態>
第7の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ1は、少なくとも3往復以上の折り返し構造を有する変位センサを具備し、前記変位センサを構成する各センサ部がゴム人工筋アクチュエータの中心軸に対して平行に配置され、かつ各往復構造を構成する2つのセンサ部が相互にゴム人工筋アクチュエータの中心軸に対して垂直に交わる線分上で前記中心軸に対して軸対称となるように配置されている。
<Seventh Embodiment>
The rubber artificial muscle actuator 1 in the seventh embodiment includes a displacement sensor having a folding structure of at least three reciprocations, and each sensor portion constituting the displacement sensor is parallel to the central axis of the rubber artificial muscle actuator. The two sensor parts that are arranged and that constitute each reciprocating structure are arranged so as to be axially symmetric with respect to the central axis on a line segment perpendicular to the central axis of the rubber artificial muscle actuator. .

例えば、3往復構造の変位センサは、6つのセンサ部と、5つの折り返し機構と、始端および終端に接続された2つの測定用電極により構成される。3往復構造の変位センサは、理論上は検出感度が1往復構造と比較して3倍に増幅される。6つのセンサ部は、互いにペアを構成し、軸対称に配置されるので(すなわち、3組のセンサ部が異なる線分Y−Y上で軸対称に配置される)、アクチュエータ全体として偏荷重の発生が抑制される。   For example, a displacement sensor having a three-way structure includes six sensor units, five folding mechanisms, and two measurement electrodes connected to the start and end. The displacement sensor of the three-way structure has a theoretically amplified detection sensitivity three times that of the one-way structure. Since the six sensor parts constitute a pair and are arranged in an axial symmetry (that is, the three sensor parts are arranged in an axial symmetry on different line segments Y-Y), the entire actuator has an offset load. Occurrence is suppressed.

<第8の実施形態>
第8の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ1は、少なくとも3往復以上の折り返し構造を有する、第1および第2の変位センサを具備し、第1の変位センサがゴム人工筋アクチュエータの中心軸に対して平行に配置され、第2の変位センサが第1の変位センサの各位置から前記中心軸に対して垂直に交わる線分上で前記中心軸に対して軸対称となるように配置されている。
<Eighth Embodiment>
The rubber artificial muscle actuator 1 in the eighth embodiment includes first and second displacement sensors having a folding structure of at least three reciprocations, and the first displacement sensor is relative to the central axis of the rubber artificial muscle actuator. The second displacement sensor is arranged so as to be symmetric with respect to the central axis on a line segment perpendicular to the central axis from each position of the first displacement sensor. .

例えば、3往復構造の独立した2つの変位センサを軸対称に配置することによって、偏荷重の発生が抑制されるとともに、検出感度が高く、かつ断線等の故障に強いアクチュエータを提供することができる。   For example, by arranging two independent displacement sensors having three reciprocating structures in an axisymmetric manner, it is possible to provide an actuator that suppresses the occurrence of an offset load, has high detection sensitivity, and is resistant to failures such as disconnection. .

<第9の実施形態>
また、第8の実施形態の応用として、3往復の折り返し構造を有する独立した3つ以上の変位センサを中心軸Xに対して平行に全体として偏荷重が抑制されるように配置することによって、一層検出感度が高く、かつ故障に強いアクチュエータを提供することができる。
<Ninth Embodiment>
Further, as an application of the eighth embodiment, by arranging three or more independent displacement sensors having three reciprocating folding structures in parallel to the central axis X so as to suppress the bias load as a whole, An actuator with higher detection sensitivity and resistance to failure can be provided.

具体的には、3つの3往復構造の変位センサを配置する場合、各変位センサをゴム人工筋アクチュエータ1の円周上で120度間隔で中心軸Xに対して平行に配置することにより、アクチュエータの偏荷重を抑制することができる。   Specifically, when three displacement sensors having three reciprocating structures are arranged, the displacement sensors are arranged parallel to the central axis X at intervals of 120 degrees on the circumference of the rubber artificial muscle actuator 1. Can be suppressed.

以下の表1は、第1〜第9の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ1の関係を示すものである。第1〜第9の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ1は、センサ構造内の往復数およびセンサの搭載数によって分類される。これらの共通の作用効果は偏荷重の抑制である。センサ構造内の往復数はセンサの感度を向上させ、センサの搭載数はセンサの耐性を向上させる(故障に強くなる)。

Figure 2010156352
Table 1 below shows the relationship of the rubber artificial muscle actuator 1 in the first to ninth embodiments. The rubber artificial muscle actuators 1 in the first to ninth embodiments are classified according to the number of reciprocations in the sensor structure and the number of sensors mounted. These common effects are suppression of uneven load. The number of reciprocations within the sensor structure improves the sensitivity of the sensor, and the number of sensors mounted improves the resistance of the sensor (becomes more resistant to failure).
Figure 2010156352

理論上、往復数および搭載数が多いほど高品質のアクチュエータを提供することができるが、1往復構造のアクチュエータを1つ搭載する第1の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータであっても、細径マニピュレータに搭載する極細のアクチュエータに必要な精度と耐性を十分に提供することができる。そして、極細のアクチュエータは表面積が小さいので、変位センサの往復数および搭載数を増やすと、各センサ部の導電体面積が小さくなることにより、各センサ部の伸縮度と電気抵抗値の変化との間の厳密な相関関係が減退する懸念がある。また、極細の導電体はその分だけ断線し易い。従って、極細のアクチュエータに限定した場合、理想的には、2往復構造以下の変位センサを2つ以下で搭載したものが最も好ましい。   Theoretically, the higher the number of reciprocations and the greater the number of mountings, the higher the quality of the actuator can be provided, but even the rubber artificial muscle actuator in the first embodiment in which one actuator having a single reciprocating structure is mounted has a small diameter. It is possible to sufficiently provide the accuracy and resistance required for an ultra-fine actuator mounted on a manipulator. And, since the ultra-fine actuator has a small surface area, increasing the number of reciprocations and mounting of the displacement sensor reduces the conductor area of each sensor unit, thereby reducing the degree of expansion and contraction of each sensor unit and the change in electrical resistance value. There is concern that the strict correlation between the two will decline. In addition, an extremely fine conductor is easily disconnected. Therefore, when the actuator is limited to an extremely thin actuator, ideally, one having two or less displacement sensors having two or less reciprocating structures is most preferable.

図11
図11は、上述した第1〜第9の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ1(以下、ゴム人工筋アクチュエータ101, 102などという)を2つ使用した駆動機構100の模式図である。
FIG.
FIG. 11 is a schematic diagram of a drive mechanism 100 using two rubber artificial muscle actuators 1 (hereinafter referred to as rubber artificial muscle actuators 101 and 102) in the first to ninth embodiments described above.

駆動機構100は、2つのゴム人工筋アクチュエータ101, 102が固定基板190に固定されている。係止部材103, 104はワイヤ105に接続され、ワイヤ105がプーリ106にかけられている。プーリ106には、操作ツール110が固定されており、プーリ106の回転運動によって操作ツール110が上下に回動する。従って、ゴム人工筋アクチュエータ101, 102の伸縮を制御することによって操作ツール110に所望の上下への回動を与えることができる。ゴム人工筋アクチュエータ101, 102はそれぞれ給気用配管111, 112を介して圧力制御手段120に接続されている。圧力制御手段120は、電空レギュレータ130およびコンプレッサー140により構成される。   In the drive mechanism 100, two artificial rubber muscle actuators 101 and 102 are fixed to a fixed substrate 190. The locking members 103 and 104 are connected to the wire 105, and the wire 105 is hooked on the pulley 106. An operation tool 110 is fixed to the pulley 106, and the operation tool 110 is rotated up and down by the rotational movement of the pulley 106. Accordingly, the operation tool 110 can be turned up and down as desired by controlling the expansion and contraction of the artificial rubber muscle actuators 101 and 102. The rubber artificial muscle actuators 101 and 102 are connected to the pressure control means 120 via air supply pipes 111 and 112, respectively. The pressure control means 120 includes an electropneumatic regulator 130 and a compressor 140.

ゴム人工筋アクチュエータ101, 102は、それぞれその表面に変位センサを備えている。変位センサとして、上述した第1〜第9の実施形態のいずれかの変位センサが適宜選択される。アクチュレータ101, 102の各伸縮量は、それぞれ回路150および160によって電気抵抗値の変化量として出力される。演算手段(PC)170は、出力された電気抵抗値の変化量から各アクチュエータの伸縮量を同定する。PC170は、操作手段180から入力された操作ツール110の所望の上下への回動に必要な各アクチュエータの伸縮量と、現時点の各アクチュエータの伸縮量との差分を算出し、算出された差分データに基づき、操作ツール110の所望の上下への回動を実行するための制御指令を圧力制御手段120に送信する。圧力制御手段120は、該制御指令に基づいてアクチュエータ内部の空気圧を制御し、各アクチュエータの伸縮量が適切に制御されることによって所望の操作ツール110の上下への回動が実行される。このようなフィードバックグループを組むことにより、プーリ106に取り付けた操作ツール110の位置決めが容易にできる。   The artificial rubber muscle actuators 101 and 102 each include a displacement sensor on the surface thereof. As the displacement sensor, any one of the displacement sensors of the first to ninth embodiments described above is appropriately selected. Each expansion / contraction amount of the actuators 101 and 102 is output as a change amount of the electric resistance value by the circuits 150 and 160, respectively. The computing means (PC) 170 identifies the expansion / contraction amount of each actuator from the output change amount of the electrical resistance value. The PC 170 calculates the difference between the expansion / contraction amount of each actuator necessary for the desired vertical rotation of the operation tool 110 input from the operation means 180 and the expansion / contraction amount of each actuator at the present time, and calculates the difference data Based on the above, a control command for executing a desired vertical rotation of the operation tool 110 is transmitted to the pressure control means 120. The pressure control means 120 controls the air pressure inside the actuator based on the control command, and the desired operation tool 110 is turned up and down by appropriately controlling the expansion and contraction amount of each actuator. By assembling such a feedback group, the operation tool 110 attached to the pulley 106 can be easily positioned.

変位センサがアクチュエータと一体に形成されることにより、システム全体(特に、アクチュエータおよび回動部)を小型化することが可能となる。また、各アクチュエータの変位センサが折り返し構造をとることにより、測定用電極(配線)がアクチュエータの一端から取り出せるため、配線を折り返す必要が無く、システム全体の細径化を一層可能にする。   By forming the displacement sensor integrally with the actuator, the entire system (particularly, the actuator and the rotating unit) can be reduced in size. Further, since the displacement sensor of each actuator has a folded structure, the measurement electrode (wiring) can be taken out from one end of the actuator, so that it is not necessary to fold the wiring, and the diameter of the entire system can be further reduced.

図11では、2つのゴム人工筋アクチュエータ101, 102がそれぞれ独立した制御機構を有し、それぞれを別個に制御することができる。しかし、各アクチュエータは必ずしも個々に独立して制御される必要はなく、各アクチュエータの制御機構を連動させてもよい。例えば、ゴム人工筋アクチュエータ101のみに変位センサを設け、変動する電気抵抗値を出力することによって2つのゴム人工筋アクチュエータ101, 102を制御することができる。この場合、アクチュエータ102上の変位センサおよび該変位センサによって検出される電気抵抗値を出力する回路160を省略することができるので、低コスト化および省スペース化が実現できる。   In FIG. 11, the two artificial rubber muscle actuators 101 and 102 each have an independent control mechanism and can be controlled separately. However, each actuator does not necessarily need to be controlled independently, and the control mechanism of each actuator may be linked. For example, it is possible to control the two artificial rubber muscle actuators 101 and 102 by providing a displacement sensor only in the artificial rubber muscle actuator 101 and outputting a varying electric resistance value. In this case, the displacement sensor on the actuator 102 and the circuit 160 for outputting the electric resistance value detected by the displacement sensor can be omitted, so that cost reduction and space saving can be realized.

図12
図12は、第1〜9の実施形態のいずれかのゴム人工筋アクチュエータ1を使用した医療用処置具200の模式図である。
FIG.
FIG. 12 is a schematic diagram of a medical treatment instrument 200 using the rubber artificial muscle actuator 1 according to any one of the first to ninth embodiments.

医療用処置具200は、細径マニピュレータ210と、細径マニピュレータ210を駆動させる操作手段220と、操作手段220で入力した駆動信号に基づき、ゴム人工筋アクチュエータの内圧を制御する演算手段230と、演算手段230による指令に基づき、ゴム人工筋アクチュエータ内部に空気を印加する圧力制御手段とを具備する。圧力制御手段は、電空レギュレータ240およびコンプレッサー250により構成される。   The medical treatment instrument 200 includes a small-diameter manipulator 210, an operation unit 220 that drives the small-diameter manipulator 210, a calculation unit 230 that controls the internal pressure of the rubber artificial muscle actuator based on the drive signal input by the operation unit 220, Pressure control means for applying air to the inside of the rubber artificial muscle actuator based on a command from the calculation means 230. The pressure control means includes an electropneumatic regulator 240 and a compressor 250.

細径マニピュレータ210は、複数のゴム人工筋アクチュエータ201と、ゴム人工筋アクチュエータ201を内部に備える挿入アーム260と、挿入アーム260の先端に取り付けられた操作ツール270とを具備する。   The small-diameter manipulator 210 includes a plurality of artificial rubber muscle actuators 201, an insertion arm 260 having the artificial rubber muscle actuator 201 therein, and an operation tool 270 attached to the distal end of the insertion arm 260.

各アクチュエータ201の表面には上述した第1〜第9の実施形態のいずれかの変位センサが設置され、各アクチュエータ201の伸縮量を電気抵抗値の変化量として検出することができる。   The displacement sensor of any of the first to ninth embodiments described above is installed on the surface of each actuator 201, and the amount of expansion / contraction of each actuator 201 can be detected as the amount of change in electrical resistance value.

また、挿入アーム260の先端には、屈曲駆動手段280が設けられていてもよい。屈曲駆動手段280は、例えば、それぞれ異なる屈曲運動をする第1〜第3の関節281, 282, 283によって構成され、第3の関節283の先端に操作ツール270が中心軸に固定されたプーリ271が取り付けられている。   Further, a bending drive means 280 may be provided at the distal end of the insertion arm 260. The bending drive means 280 includes, for example, first to third joints 281, 282, and 283 that perform different bending motions, and a pulley 271 in which an operation tool 270 is fixed to the central axis at the tip of the third joint 283. Is attached.

第1〜第3の関節281, 282, 283およびプーリ271は、それぞれ2本1組のゴム人工筋アクチュエータ201によって制御されているので、合計8本4組のゴム人工筋アクチュエータ201が挿入アーム260内に搭載されている(図では便宜的に2本のみ表示)。これら8本4組のゴム人工筋アクチュエータは、それぞれその表面に上述した第1〜第9の実施形態のいずれかの変位センサを備え、アクチュエータの伸縮量が電気抵抗値の変化量として出力される。なお、上述したように、2本1組のアクチュエータの一方のみが抵抗体を内蔵する態様であっても同様の制御が可能になる。   Since each of the first to third joints 281, 282, 283 and the pulley 271 is controlled by a set of two rubber artificial muscle actuators 201, a total of eight sets of four rubber artificial muscle actuators 201 are inserted into the insertion arm 260. (Only two are shown for convenience). Each of these eight sets of four artificial rubber muscle actuators includes the displacement sensor according to any of the first to ninth embodiments described above on its surface, and the expansion / contraction amount of the actuator is output as the change amount of the electric resistance value. . As described above, the same control is possible even if only one of the two actuators has a built-in resistor.

図13
図13は、図12の屈曲駆動手段280の駆動機構を説明するための模式図である。第1の関節281は、2本のゴム人工筋アクチュエータ201によって制御される。第1の関節281の両端部にそれぞれゴム人工筋アクチュエータ201がワイヤ205を介して接続されている。2本のアクチュエータ201の伸縮運動によって関節281を図の矢印の方向に回動させることができる。同じように、第2の関節282の両端部にもそれぞれゴム人工筋アクチュエータ201がワイヤ205を介して接続されており、2本のアクチュエータ201の伸縮運動によって第2の関節282を図の矢印の方向に回動させることができる。
FIG.
FIG. 13 is a schematic diagram for explaining the drive mechanism of the bending drive means 280 of FIG. The first joint 281 is controlled by two rubber artificial muscle actuators 201. Rubber artificial muscle actuators 201 are connected to both ends of the first joint 281 via wires 205, respectively. The joint 281 can be rotated in the direction of the arrow in the figure by the expansion and contraction of the two actuators 201. Similarly, rubber artificial muscle actuators 201 are connected to both ends of the second joint 282 via wires 205, respectively, and the second joint 282 is moved in the direction indicated by the arrow in FIG. Can be rotated in the direction.

図14
図14は、図12および13の屈曲駆動手段280の駆動機構をさらに説明するための模式図である。
FIG.
FIG. 14 is a schematic diagram for further explaining the drive mechanism of the bending drive means 280 of FIGS.

第1の関節281は、2本のアクチュエータ201によって図中Z軸に対して回動する。次に、第2の関節282は、第1の関節281の回動を制御するアクチュエータとは異なる別個の2本のアクチュエータ201によって、図中Y軸に対して回動する。最後に、第3の関節283は、第1および第2の関節281, 282の回動を制御するアクチュエータとは異なる別個の2本のアクチュエータ201によって、図中X軸に対して回動する。   The first joint 281 is rotated with respect to the Z axis in the figure by two actuators 201. Next, the second joint 282 is rotated with respect to the Y axis in the figure by two separate actuators 201 different from the actuator that controls the rotation of the first joint 281. Finally, the third joint 283 is rotated with respect to the X axis in the figure by two separate actuators 201 different from the actuator that controls the rotation of the first and second joints 281 and 282.

第1〜第3の関節281, 282, 283は、それぞれ3次元空間上の各軸に対して回動するので、全体として3次元空間上の全方向への指向が可能となり、例えば、生体組織内の入り組んだ複雑な空間内において精密かつ自在なマニピュレーション操作が可能となる。また、腹腔内などに挿入される医療用処置具(医療用マニピュレータ)の先端に変位センサ一体型のゴム人工筋アクチュエータを搭載することによって、センサ、および配線が腹腔内の生体組織に直接触れることがなくなり安全性が向上する。   Since the first to third joints 281, 282, and 283 rotate with respect to the respective axes in the three-dimensional space, they can be directed in all directions in the three-dimensional space as a whole. Precise and free manipulation is possible in the complicated space. Also, by mounting a displacement sensor integrated rubber artificial muscle actuator on the tip of a medical treatment instrument (medical manipulator) inserted into the abdominal cavity, etc., the sensor and wiring can directly touch the living tissue in the abdominal cavity. The safety is improved.

以上のように、本発明によれば、狭小な挿入スペース、とくに腹腔のような生体内の各種対象物(臓器、血管等)への局所的操作を正確に把握しながら、多機能または多次元な動作を自在に制御できる。とくに医療用マニピュレータの先端部に配置された多関節な駆動軸のそれぞれに対応する複数対のアクチュエータを連動して駆動させる場合に、個々のアクチュエータによる多機能または複雑な動作の適否をリアルタイム且つ正確に確認することが可能である。   As described above, according to the present invention, a multi-function or multi-dimension can be obtained while accurately grasping a local operation on various objects (organs, blood vessels, etc.) in a living body such as a narrow insertion space, particularly an abdominal cavity. Can be controlled freely. In particular, when multiple pairs of actuators corresponding to each of the articulated drive shafts arranged at the distal end of the medical manipulator are driven in conjunction with each other, it is possible to determine in real time and accurately whether the multi-function or complex operation by each actuator is appropriate. Can be confirmed.

なお、本発明は上述した実施形態で説明したようなゴム人工筋肉または空圧制御式のアクチュエータに限定されず、上述した要旨の範囲において他の細径アクチュエータ(例えばワイヤ駆動式)にも同様に適用してもよい。   The present invention is not limited to the rubber artificial muscle or the pneumatic control actuator described in the above-described embodiment, and similarly to other small-diameter actuators (for example, wire drive type) within the scope of the above-described gist. You may apply.

第1の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ1を模式的に示した斜視図The perspective view which showed typically the rubber artificial muscle actuator 1 in 1st Embodiment 図1に示した斜視図の線A−Aに沿った断面図Sectional drawing along line AA of the perspective view shown in FIG. 第1のセンサ部7(第2のセンサ部8も同じ)の断面を示した斜視図The perspective view which showed the cross section of the 1st sensor part 7 (the 2nd sensor part 8 is also the same). 図1の線B-Bに沿った断面の斜視図FIG. 1 is a perspective view of a cross section taken along line BB in FIG. 第2の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ1を模式的に示した斜視図The perspective view which showed typically the rubber artificial muscle actuator 1 in 2nd Embodiment 図5に示した斜視図の線C−Cに沿った断面図Sectional drawing along line CC of the perspective view shown in FIG. 第4の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ1を模式的に示した斜視図The perspective view which showed typically the rubber artificial muscle actuator 1 in 4th Embodiment 図7に示した斜視図の線D−Dに沿った断面図Sectional drawing along line DD of the perspective view shown in FIG. 第5の実施形態におけるゴム人工筋アクチュエータ1を模式的に示した斜視図The perspective view which showed typically the rubber artificial muscle actuator 1 in 5th Embodiment 図9に示した斜視図の線E−Eに沿った断面図Sectional drawing along line EE of the perspective view shown in FIG. 第1〜第9の実施形態のいずれかのゴム人工筋アクチュエータ1を2つ使用した駆動機構100の模式図Schematic diagram of a driving mechanism 100 using two rubber artificial muscle actuators 1 according to any of the first to ninth embodiments. 第1〜第9の実施形態のいずれかのゴム人工筋アクチュエータ1を使用した医療用処置具200の模式図The schematic diagram of the medical treatment tool 200 using the rubber artificial muscle actuator 1 in any one of 1st-9th embodiment. 図12の屈曲駆動手段280の駆動機構を説明するための模式図Schematic diagram for explaining the drive mechanism of the bending drive means 280 of FIG. 図12および13の屈曲駆動手段280の駆動機構をさらに説明するための模式図Schematic diagram for further explaining the drive mechanism of the bending drive means 280 of FIGS.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・ゴム人工筋アクチュエータ、2・・・係止部材、3・・・係止部材、4・・・管状弾性体、5・・・編み上げ補強部材、6・・・空気印加用穴、7・・・第1のセンサ部、8・・・第2のセンサ部、9・・・折り返し機構、10・・・測定用電極、11・・・測定用電極、31・・・導電体、32・・・樹脂部材、33・・・樹脂部材、50・・・第1の変位センサ、51・・・第1のセンサ部、52・・・第2のセンサ部、55・・・第1のセンサ部、56・・・第2のセンサ部、60・・・第2の変位センサ、71・・・第1のセンサ部、72・・・第2のセンサ部、73・・・第3のセンサ部、74・・・第4のセンサ部、76・・・第1の折り返し機構、77・・・第2の折り返し機構、78・・・第3の折り返し機構、81・・・第1のセンサ部、82・・・第2のセンサ部、83・・・第3のセンサ部、84・・・第4のセンサ部、85・・・第1の変位センサ、91・・・第1のセンサ部、92・・・第2のセンサ部、93・・・第3のセンサ部、94・・・第4のセンサ部、95・・・第2の変位センサ、100・・・駆動機構、101, 102・・・ゴム人工筋アクチュエータ、103, 104・・・係止部材、105・・・ワイヤ、106・・・プーリ、110・・・操作ツール、111, 112・・・給気用配管、120・・・圧力制御手段、130・・・電空レギュレータ、140・・・コンプレッサー、150,160・・・回路、170・・・演算手段、180・・・操作手段、190・・・固定基板、200・・・医療処置具、201・・・ゴム人工筋アクチュエータ、210・・・細径マニピュレータ、220・・・操作手段、230・・・演算手段、240・・・電空レギュレータ、250・・・コンプレッサー、260・・・挿入アーム、270・・・操作ツール、271・・・プーリ、280・・・屈曲駆動手段、281・・・第1の関節、282・・・第2の関節、283・・・第3の関節。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Rubber artificial muscle actuator, 2 ... Locking member, 3 ... Locking member, 4 ... Tubular elastic body, 5 ... Braided reinforcement member, 6 ... Hole for air application, DESCRIPTION OF SYMBOLS 7 ... 1st sensor part, 8 ... 2nd sensor part, 9 ... Folding mechanism, 10 ... Measuring electrode, 11 ... Measuring electrode, 31 ... Conductor, 32 ... resin member, 33 ... resin member, 50 ... first displacement sensor, 51 ... first sensor unit, 52 ... second sensor unit, 55 ... first Sensor unit 56 ... second sensor unit 60 ... second displacement sensor 71 ... first sensor unit 72 ... second sensor unit 73 ... third Sensor unit 74, fourth sensor unit, 76 ... first folding mechanism, 77 ... second folding mechanism, 78 ... third folding mechanism, 8 ... 1st sensor part, 82 ... 2nd sensor part, 83 ... 3rd sensor part, 84 ... 4th sensor part, 85 ... 1st displacement sensor, 91 ... 1st sensor part, 92 ... 2nd sensor part, 93 ... 3rd sensor part, 94 ... 4th sensor part, 95 ... 2nd displacement sensor, 100 ... Drive mechanism, 101, 102 ... Rubber artificial muscle actuator, 103, 104 ... Locking member, 105 ... Wire, 106 ... Pulley, 110 ... Operating tool, 111, 112 ..Piping for air supply, 120 ... pressure control means, 130 ... electro-pneumatic regulator, 140 ... compressor, 150,160 ... circuit, 170 ... calculation means, 180 ... operation means, 190・ ・ ・ Fixed substrate, 200 ・ ・ ・ Medical treatment instrument, 201 ・ ・ ・ Rubber artificial muscle actuator, 210 ・ ・ ・ Small diameter manipulator, 220 ・ ・ ・ Operating means, 230 ・ ・ ・Means 240 ... electro-pneumatic regulator 250 ... compressor 260 ... insertion arm 270 ... operation tool 271 ... pulley 280 ... bending drive means 281 ... first 282 ... second joint, 283 ... third joint.

Claims (6)

第1および第2のセンサ部により構成された折り返し構造を有する変位センサを具備し、
第1のセンサ部がアクチュエータの中心軸に対して平行に配置され、第2のセンサ部が第1のセンサ部の各位置から前記中心軸に対して垂直に交わる線分上で前記中心軸に対して軸対称となるように配置されることにより、偏荷重の発生を抑制したことを特徴とする、細径アクチュエータ。
Comprising a displacement sensor having a folded structure constituted by first and second sensor portions;
The first sensor unit is arranged in parallel to the central axis of the actuator, and the second sensor unit is located on the central axis on a line segment perpendicular to the central axis from each position of the first sensor unit. A small-diameter actuator characterized in that the occurrence of an offset load is suppressed by being arranged so as to be axially symmetric.
第1ないし第4のセンサ部により構成された2往復の折り返し構造を有する変位センサを具備し、
第1のセンサ部が細径アクチュエータの中心軸に対して平行に配置され、第2のセンサ部が第1のセンサ部の各位置から前記中心軸に対して垂直に交わる線分上で前記中心軸に対して軸対称となるように配置され、かつ
第3のセンサ部が細径アクチュエータの中心軸に対して平行に配置され、第4のセンサ部が第3のセンサ部の各位置から前記中心軸に対して垂直に交わる線分上で前記中心軸に対して軸対称となるように配置されることにより、偏荷重の発生を抑制したことを特徴とする、細径アクチュエータ。
Comprising a displacement sensor having a two-way reciprocation structure constituted by first to fourth sensor portions;
The first sensor unit is arranged in parallel to the central axis of the small-diameter actuator, and the second sensor unit is located on a line segment perpendicular to the central axis from each position of the first sensor unit. The third sensor unit is arranged parallel to the central axis of the small-diameter actuator, and the fourth sensor unit is arranged from each position of the third sensor unit. A small-diameter actuator characterized by suppressing the occurrence of an offset load by being arranged so as to be axially symmetric with respect to the central axis on a line segment perpendicular to the central axis.
少なくとも3往復以上の折り返し構造を有する、第1および第2の変位センサを具備し、
第1の変位センサが細径アクチュエータの中心軸に対して平行に配置され、第2の変位センサが第1の変位センサの各位置から前記中心軸に対して垂直に交わる線分上で前記中心軸に対して軸対称となるように配置されることにより、偏荷重の発生を抑制したことを特徴とする、細径アクチュエータ。
Comprising first and second displacement sensors having a folded structure of at least three reciprocations;
The first displacement sensor is arranged in parallel to the central axis of the small-diameter actuator, and the second displacement sensor is on the line segment perpendicular to the central axis from each position of the first displacement sensor. A small-diameter actuator characterized by suppressing the occurrence of an offset load by being arranged so as to be symmetric with respect to an axis.
前記折り返し構造を有する変位センサが、電気絶縁性および弾性を有する第1および第2の樹脂部材の間に薄膜状の導電体が狭持された柔軟性を有する第1および第2のセンサ部と、第1および第2のセンサ部の一端を直列に接続する導電性を有する折り返し機構と、第1および第2のセンサ部の各他端に接続された第1および第2の測定用電極と、を含んで構成され、第1および第2の測定用電極が電気回路に接続され、該電極間の電気抵抗値の変化から細径アクチュエータの伸縮量を検出することを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の細径アクチュエータ。   The displacement sensor having the folded structure includes first and second sensor portions having flexibility in which a thin film-like conductor is sandwiched between first and second resin members having electrical insulation and elasticity; A conductive folding mechanism for connecting one end of each of the first and second sensor units in series; and first and second measurement electrodes connected to the other ends of the first and second sensor units; The first and second measurement electrodes are connected to an electric circuit, and the expansion / contraction amount of the small-diameter actuator is detected from a change in the electric resistance value between the electrodes. The small diameter actuator of any one of 1-3. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の細径アクチュエータと、
前記細径アクチュエータを内部に備える挿入アームと、
前記挿入アームの先端に取り付けられた操作ツールと
を具備し、
前記操作ツールの駆動が、前記細径アクチュエータの伸縮によって制御されることを特徴とする、細径マニピュレータ。
The small-diameter actuator according to any one of claims 1 to 4,
An insertion arm having the small-diameter actuator therein;
An operation tool attached to the tip of the insertion arm;
The small-diameter manipulator, wherein driving of the operation tool is controlled by expansion and contraction of the small-diameter actuator.
前記細径アクチュエータを2以上備え、各アクチュエータが個々に制御されていることを特徴とする、請求項5に記載の細径マニピュレータ。   The thin manipulator according to claim 5, wherein two or more thin actuators are provided, and each actuator is individually controlled.
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